Adaptiv kraftsystemstabilisator. optimal dämpning av svängningar i aktiv effekt

Transkript

1 Adaptiv kraftsystemstabilisator för optimal dämpning av svängningar i aktiv effekt Det är viktigt att minska risken för instabilitet i distributionsnät, orsakad av att kraftsystemen arbetar nära sina gränser. Därför söker kraftbolagen effektivare metoder för dämpning av de oscilleringar i aktiv effekt som uppträder efter nätstörningar. Konventionella kraftsystemstabilisatorer ger hög stabilitet vid en definierad arbetspunkt, men de fungerar inte lika bra när systemparametrarna förändras. ABB och University of Calgary i Kanada har utvecklat en adaptiv kraftsystemstabilisator ( Adaptive Power System Stabilizer) som anpassar sig till föränderliga nätverks- och driftvillkor. Den dämpar svängningarna i aktiv effekt under alla förhållanden. Test i simulatorer och på verkliga maskiner visar att har imponerande dämpningsegenskaper. A vregleringen av de europeiska elenergimarknaderna innebär att kraftsystem ofta måste arbeta nära sina utläggningsgränser, vilket ökar risken för instabilitet i distributionsnäten. En följd av detta är att kraftbolagen ställer hårdare krav på spänningsregleringen i sina synkrongeneratorer. Detta kräver i sin tur effektivare dämpning av svängningarna i aktiv effekt som uppträder efter störningar i kraftnätet. Kraftsystemstabilisatorer som är inbyggda i den elektroniska magnetiseringsutrustningen till synkrongeneratorer förbättrar stabiliteten i den aktiva effekten, men optimala resultat uppnås endast vid en definierad arbetspunkt. Resultaten försämras om systemparametrarna, dvs. arbetspunkten för generatorn eller nätverksförhållandena, varierar. För att ta hänsyn till föränderliga systemparametrar måste stabiliseringsutrustningen vara adaptiv. Armin Eichmann Alessandro Kohler ABB Industrie AG PSS i jämförelse med Parallell drift av kraftverk eller grupper av kraftverk kräver uppmärksamhet på synkronmaskiners dynamiska uppträdande och stabilitet. Störningar i kraftnätet orsakar oscilleringar i den aktiva effekten från generatorerna. Dessa störningar måste dämpas så snabbt som möjligt. Dämpningsegenskaperna styrs av olika parametrar, exempelvis synkronmaskinens karakteristik, kraftsystemets impedanser och generatorns arbetspunkt. Det är vanligt att förbättra dämpningsegenskaperna med hjälp av en stabilisator som påverkar den spänningsreglerande funktionen i generatorns magnetiseringssystem. En konventionell kraftsystemstabilisator (PSS Power System Stabilizer) tillämpar en deterministisk reglerteori, dvs. en linjäriserad modell som ger bra resultat för en specifik arbetspunkt. Om vi betraktar förändringarna i aktiv effekt i en verklig generatornätverkskonfiguration visar det sig emellertid att det finns betydande olinjära förhållanden som måste beaktas i modelleringen. En konventionell PSS kan inte uppfylla detta villkor. I stället fordras en ny generation kraftsystemstabilisatorer med adaptiva egenskaper. Grundkraven är följande: Möjlighet att identifiera arbetspunkten för generatorn och nätverkets impedans Inställbara PSS-parametrar för att kunna ta hänsyn till den ständiga variationen i systemparametrar Inställbar överföringsfunktion för ett brett frekvensområde (dvs. undersynkron svängning i uteffekten när två maskiner parallellkopplas) Flexibiliteten och den enkla konstruktionen i adaptiva regulatorer som är baserade på mikroprocessorteknik gör dem ytterst effektiva och väl lämpade för kraftsystemstabilisering tillsammans med synkronmaskiner. Därför har ABB och University of Calgary i Kanada gemensamt utvecklat en adaptiv stabilisator med alla de egenskaper som diskuterats ovan. Programmet körs på ABB:s maskinvara. Produkten används bland annat för att reglera generatorspänningen i magnetiseringssystem. Funktionsprincip för Principen för adaptiv kraftsystemstabilisering kan förklaras med hjälp av ett system som har stokastiska egenskaper och som utsätts för oförutsägbara störningar. Insignaler till regulatorn representerar normalt observationer av ABB Tidning 2/999 27

2 -algoritmen kan köras på en utdragbar modul som enkelt kan sättas in på en ledig kortplats i ett befintligt spänningsregulatorramverk. Varken inställningar eller kabeldragning behövs. Blockschema för den adaptiva kraftsystemstabilisatorn () 2 P Förändring i uteffekt Model Estimator out Noise vissa systemvariabler. På grund av de slumpmässiga störningarna, t.ex. oväntade lastförändringar, brus etc., är sådana observationer inte representativa. Dessutom måste reglerstrategin baseras på momentan detektering av systemets dynamik och tidigare värden för inoch utvariabler. För att en adaptiv stabilisator skall ha denna förmåga behövs tre olika funktionsgrupper, nämligen systemmodellen, skattningsfunktionen och regulatorn 2. Systemmodell Systemmodellen arbetar tillsammans med skattningsfunktionen och regulatorn för att fastställa systemparametrarna för det faktiska systemet. I ett komplext olinjärt system är systemparametervektorn okänd och tidsberoende. Ett sådant system kan modelleras med hjälp av ett linjärt system av låg ordning med tidsvariabla parametrar. Normalt fordras ett system av minst den nionde ordningen för att korrekt beskriva parametrarna för ett faktiskt system. Emellertid kan visas att redan ett system av tredje ordningen ger tillräckligt god approximering. Denna förenkling är nödvändig eftersom beräkning av ett system av nionde ordningen skulle ta för lång tid. Skattningsfunktionen Skattningsfunktionen strävar ständigt efter att hitta modellsystemparametrar med egenskaper som ligger så nära det verkliga systemet som möjligt. Utsignalen från modellen jämförs med utsignalen från det faktiska systemet ( P) för att utvärdera felet. Om en avvikelse hittas, justeras modellparametrarna med en speciell algoritm. Men korrekt identifiering av systemparametrarna är möjlig endast om den aktiva effekten varierar kontinuerligt. För att uppfylla 28 ABB Tidning 2/999

3 detta villkor under stadig drift av generatorn överlagras en svag stokastisk signal (brus) på utsignalen från stabilisatorn..0 pu av är värdet för den effekt som används för att accelerera rotorn. Detta värde är skillnaden P mellan den elektriska uteffekten P el och den mekaniska ineffekten P m. P uttrycks i dimensionslösa värden, vid nominellt varvtal, enligt följande: n utför beräkningar parallellt med kontinuerlig identifiering av systemparametrarna. Resultatet bildar utsignal från. n som kontinuerligt matas med värden som bildades av skattningsfunktionen, försöker generera den regulatorsignal som krävs för optimal dämpning. Detta uppnås, i enlighet med den välkända regulatorteorin, genom att förskjuta polerna för den slutna reglerkretsen så att de kommer så nära Z-axelns nollpunkt som möjligt 3. Utsignalen från överförs därefter till ingången (blandningspunkten) för den automatiska spänningsregulatorn 4. Den enda insignalen som krävs pu.0 Förskjutning av poler i det komplexa Z-planet Röd Pil Linjer för konstant dämpning Ökande dämpning 3 = 2Hdω = P el P m dt där H är maskinens tröghetsmoment och ω är rotorns vinkelfrekvens. Den elektriska uteffekten P el bestäms genom att mäta generatorns elektriska systemvariabler, t.ex. spänningar och strömmar. Ofta är det inte praktiskt möjligt att mäta den mekaniska ineffekten P m för synkronmaskinen. Emellertid kan den mekaniska drivande effekten rekonstrueras från den uppmätta frekvensen och den mekaniska modellen av turbinens och generatorns tröghetsmoment. 5 visar överföringsfunktionen som används för att fastställa den accelererande effekt som an- Interaktion mellan den adaptiva kraftsystemstabilisatorn () och den automatiska spänningsregulatorn (AVR) i den slutna reglerkretsen till ett magnetiseringssystem 4 I G Generatorström U Stabilisatorsignal U n Brussignal P Generatoruteffekt U C AVR-styrsignal U ref AVR-börvärde P a Turbinaxeleffekt U f Rotorfälteffekt P Accelerationseffekt U G Generatorspänning U ref _ AVR Exciter machine P a U f Synchronous generator U G, I G Measurement U G P Filter Model U Estimator White noise U n U c ABB Tidning 2/999 29

4 P el ω st st 2 M To sto sto sto sto _ 2sTo(sTo) 2 Överföringsfunktion som används för att uppnå accelerationseffekten P P el ω M s To T,T 2 Elektrisk uteffekt Rotorns vinkelfrekvens Maskinkonstant Laplace variabel Tidkonstant för turbingeneratoraggregatet Tidkonstanter för mätfiltret 5 vänds som insignal till den adaptiva eftersläpningsstabiliseringen. Inga andra systemvariabler behövs för att beräkna utsignalen, eftersom skattningsfunktionen och regulatorn använder algoritmen för att hitta den optimala utsignalen för bästa möjliga dämpning av svängningarna. Maskinvara till Eftersom gör många matrisberäkningar har systemets algoritm skrivits i MODULA-2. Programvaran körs för närvarande på universalprocessorn PM A324 i den snabba programmerbara regulatorn PSR. PSR-maskinvara används i stor utsträckning inom ABB, exempelvis i styrelektroniken till magneti- Svängningar i aktiv effekt efter en stegförändring av den reaktiva effekten, (a) utan och (b) med. Resultat av test som genomförts på en 45 MVA-generator med skänkelpoler. 6 signal -utsignal (50 mv/div) U control spänning (2 V/div) P Ändring i effekt (0, pu/div) t Tid (500 ms/div) a signal signal U control b t 30 ABB Tidning 2/999

5 seringssystemen UNITROL P. Enheten kan helt enkelt sättas på valfri ledig kortplats i ett UNITROL P-system. Ingen ytterligare kabeldragning behövs, eftersom datakommunikationen uteslutande sker via den inbyggda parallella databussen B448. Programvara till -algoritmen laddas i ett EPROM som placeras i den för ändamålet avsedda platsen på PM A324-processorn. kan integreras i den befintliga programvaran till spänningsregulatorn UNITROL P genom att ytterligare en FUPLA-programsektion används. (FU- PLA är ett programmeringsverktyg avsett för programvaran i systemet UNI- TROL P.) Test av Funktionerna i har testats i fält på en 45 MVA-generator med utpräglade poler, installerad i kraftverket Feistritz i Österrike, och på en 00 MVA-maskin med skänkelpoler i tyska Mainz. Förutom dessa fälttest har en mängd andra test genomförts på en generatorsimulator. Korrekt funktion för kunde bekräftas såväl i generatormodellen som i de verkliga maskinerna. 6 visar svängningarna i aktiv effekt efter en stegförändring i den reaktiva effekten. Förloppet visas med respektive utan i Feistritz. gäller de nätförhållanden som råder vid ett specifikt ögonblick. Inställningarna som beräknas av konventionella systemstabilisatorer är inte optimala, eller ens giltiga, under alla driftförhållanden. Med adaptiva stabilisatorer anpassas systemparametrarna automatiskt till föränderliga nätförhållanden, vilket gör sådana inställningar onödiga. Tillämpningar av kan användas tillsammans med generatorer av alla typer och storlekar. För att till fullo utnyttja systemets funktioner bör det i första hand användas i sammanhang där nätförhållandena är komplexa och oförutsägbara. är särskilt väl lämpat för användning i nätverk med följande egenskaper: Instabila kraftnät med hög kortslutningsimpedans Kraftsystem som utsätts för starka lastvariationer Kraftsystem som arbetar isolerat System med långa matningslinjer mellan kraftverk och distributionsstationer Vart och ett av de ovan beskrivna kraftsystemen karakteriseras av ständigt föränderlig eller hög systemimpedans. Adaptiva kraftsystemstabilisatorer ger erforderlig stabilitet i samtliga fall. Referenser [] Hang, C. C.; Lee, T. H.; Ho, W. K.: Adaptive control. Instrument Society of America, 993. [2] Chow, Y. S.; Cheng, S. J.; Malik, O. P.; Hope, G. S.: An adaptive power system stabiliser. IFAC Symposium, 986. Fördelar med i jämförelse med konventionella stabilisatorer Med adaptiva kraftsystemstabilisatorer finns inte längre något behov att beräkna parameterinställningarna, till skillnad mot vad som är fallet med konventionell stabiliseringsutrustning. Detta är en viktig fördel, eftersom beräkningarna ofta är svåra och otillförlitliga då kraftsystemparametrarna inte är kända. Som följd av detta bestäms inställningarna med empiriska metoder som endast Författarnas adress Armin Eichmann Alessandro Kohler ABB Industrie AG CH-5300 Turgi Fax: armin.eichmann@chind.mail.abb.com alessandro.kohler@chind.mail.abb.com ABB Tidning 2/999 3